DE102017205279B3 - Cryostat assembly with a neck tube with a supporting structure and an outer tube surrounding the supporting structure to reduce the cryogen consumption - Google Patents

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Abstract

Eine Kryostatanordnung (1) mit einem Vakuumbehälter (2) und einem darin angeordneten Kryogenbehälter (3), wobei der Vakuumbehälter ein zum Kryogenbehälter (3) führendes Halsrohr (4) mit einer tragenden Struktur (4a) und ein die tragende Struktur (4a) umgebendes Außenrohr (4b) aufweist, wobei über das Halsrohr eine Verbindung vom Kryogenbehälters zu einem Bereich außerhalb des Vakuumbehälters hergestellt werden kann, sodass kryogenes Fluid aus dem Kryogenbehälter in einen Bereich außerhalb des Vakuumbehälters strömen kann oder umgekehrt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu einer mechanischen Aufhängung des Kryogenbehälters am Vakuumbehälter dienenden Teile des Halsrohrs einerseits und die zur Errichtung einer Diffusionsbarriere zwischen dem Innenraum des Kryogenbehälters und dem Innenraum des Vakuumbehälters dienenden Teile des Halsrohrs andererseits räumlich voneinander getrennt angeordnet und aus jeweils unterschiedlich optimierten Materialien gefertigt sind, dass die tragende Struktur das Gewicht des Kryogenbehälters trägt und aus einem Material gefertigt ist, bei welchem für das Verhältnis σ/θ von maximal zulässiger mechanischer Spannung σ, mit σ > 100MPa, zum Integral θ der Wärmeleitfähigkeit λ über den Temperaturbereich ΔT zwischen 300K und 4K, mit θ < 300W/m, gilt: σ/θ > 1/3(MPa·m)/W, und dass das Außenrohr aus einem Material gefertigt ist, durch welches kryogenes Fluid nicht oder nur in praktisch nicht-messbarer Menge diffundieren kann, und welches mit anderen Komponenten der Kryostatanordnung fluiddicht verbunden werden kann, so dass die resultierende integrale Leckrate aus dem Kryogenbehälter in den Vakuumbehälter kleiner ist als 10mbar·l/s. Damit kann der von den Halsrohren stammende Wärmeeintrag in den Kryogenbehälter deutlich verringert werden.A cryostat assembly (1) having a vacuum container (2) and a cryogenic container (3) disposed therein, the vacuum container having a neck tube (4) leading to the cryogenic container (3) having a supporting structure (4a) and a supporting structure (4a) surrounding Outer tube (4b), wherein via the neck tube, a connection can be made from the cryogenic container to a region outside the vacuum container, so that cryogenic fluid from the cryogenic container in an area outside the vacuum container can flow or vice versa, characterized in that the mechanical On the other hand, the parts of the neck tube which serve to establish a diffusion barrier between the interior of the cryogen container and the interior of the vacuum container are arranged spatially separated from one another and made of differently optimized materials, in other words, the cryogenic container is attached to the vacuum container the supporting structure bears the weight of the cryogenic vessel and is made of a material for which the ratio σ / θ of maximum permissible mechanical stress σ, σ> 100MPa, to the integral θ of the thermal conductivity λ over the temperature range ΔT is between 300K and 4K , with θ <300W / m, applies: σ / θ> 1/3 (MPa · m) / W, and that the outer tube is made of a material through which cryogenic fluid can not diffuse or only in virtually non-measurable amount , and which can be fluid-tightly connected to other components of the cryostat assembly so that the resulting integral leakage rate from the cryogen container into the vacuum container is less than 10 mbar · l / s. Thus, the originating from the neck pipes heat input into the cryogenic container can be significantly reduced.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryostatanordnung mit einem Vakuumbehälter und einem Kryogenbehälter, der innerhalb des Vakuumbehälters angeordnet ist, wobei der Vakuumbehälter mindestens ein Halsrohr mit einer tragenden Struktur und ein die tragende Struktur umgebendes Außenrohr aufweist, wobei das Halsrohr zum Kryogenbehälter führt und wobei über das Halsrohr eine räumliche Verbindung eines inneren Volumens des Kryogenbehälters zu einem Bereich außerhalb des Vakuumbehälters hergestellt werden kann, sodass kryogenes Fluid aus dem Kryogenbehälter in einen Bereich außerhalb des Vakuumbehälters strömen kann oder umgekehrt.The invention relates to a cryostat with a vacuum container and a cryogenic container, which is disposed within the vacuum container, wherein the vacuum container has at least one neck tube with a supporting structure and an outer tube surrounding the supporting structure, wherein the neck tube leads to the cryogenic container and wherein via the neck tube spatial connection of an inner volume of the cryogen container to a region outside the vacuum container can be made so that cryogenic fluid from the cryogen container can flow into a region outside the vacuum container or vice versa.

Eine solche Kryostatanordnung ist etwa aus der US-A 5,220,800 bekannt geworden.Such a cryostat is approximately from the US-A 5,220,800 known.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Bereich der Kühlung technischer Systeme, welche im Betrieb auf sehr tiefen (=kryogenen) Temperaturen gehalten werden sollen/müssen. Derartige Systeme können etwa supraleitende Magnetanordnungen umfassen, wie sie etwa auf dem Gebiet der Magnetresonanz, beispielsweise in MRI-Tomographen oder NMR-Spektrometern eingesetzt werden. Solche supraleitenden Magnetanordnungen werden üblicherweise mit flüssigem Helium als kryogenem Fluid gekühlt.The present invention generally relates to the field of cooling of technical systems which are to be maintained at very low (= cryogenic) temperatures during operation. Such systems may include, for example, superconducting magnet arrangements, such as those used in the field of magnetic resonance, for example in MRI tomographs or NMR spectrometers. Such superconducting magnet assemblies are usually cooled with liquid helium as a cryogenic fluid.

Ein wichtiges Merkmal eines supraleitenden NMR Magnetsystems ist der Heliumverbrauch im Betrieb. Der Heliumverbrauch hat zum einen Auswirkungen auf die laufenden Kosten, die für den Betrieb des Systems aufgewendet werden müssen; zum anderen ist der Nachfüllintervall maßgeblich vom Heliumverbrauch abhängig. Je geringer der Nachfüllintervall, desto länger kann das System störungsfrei betrieben werden. Bei konstantem Nachfüllintervall kann ein System mit niedrigerem Heliumverbrauch auch kompakter ausgeführt werden, da der Heliumtank kleiner gestaltet werden kann. Dies hat zur Folge, dass das System billiger in der Produktion wird, und die Anforderungen an den Aufstellungsort (z.B. Raumhöhe) geringer werden. Eines der Entwicklungsziele für supraleitende Magnetsysteme ist daher die Reduzierung des Verbrauchs von flüssigem Helium, was bei badgekühlten Systemen gleichbedeutend mit einer Reduktion der Wärmelast auf den Heliumtank ist.An important feature of a superconducting NMR magnet system is the helium consumption during operation. On the one hand, helium consumption has an impact on the running costs that have to be spent on operating the system; On the other hand, the refill interval is largely dependent on helium consumption. The lower the refill interval, the longer the system can be operated trouble-free. With a constant refill interval, a system with lower helium consumption can also be made more compact, since the helium tank can be made smaller. As a result, the system becomes cheaper to produce, and the site requirements (e.g., room height) become lower. One of the development goals for superconducting magnet systems is therefore to reduce the consumption of liquid helium, which in the case of bath-cooled systems is equivalent to a reduction of the heat load on the helium tank.

In typischen Badkryostaten wird ein Großteil der gesamten Wärmelast auf den Heliumtank durch Wärmeleitung in den sogenannten „Halsrohren“ hervorgerufen. Diese Halsrohre verbinden den Tank, in dem das flüssige Kryogen gespeichert ist, mit der Außenwelt. Durch die Halsrohre kann die kryogene Flüssigkeit nachgefüllt werden, und sie kann abströmen (auch mit hoher Flussrate, wie z.B. während eines Magnet-Quenches oder eines plötzlichen Verlusts der Vakuumisolation). Die Halsrohre sind auch nötig, um Zugang zu im Tank befindlichen Komponenten (z.B. zu den elektrischen Anschlüssen einer Magnetspule) zu erlangen. In vielen Kryostaten tragen die Halsrohre auch das Gewicht des Tanks. Einer der größten Beiträge zur Gesamtwärmelast auf den Heliumtank stammt von diesen Halsrohren, wobei die Wärmeleitung im Rohr der dominante Mechanismus ist.In typical bath cryostats a large part of the total heat load on the helium tank is caused by heat conduction in the so-called "neck pipes". These neck pipes connect the tank in which the liquid cryogen is stored with the outside world. The cryogenic liquid can be replenished through the neck tubes and it can flow off (even at high flow rates, such as during a magnetic quench or sudden loss of vacuum insulation). The neck pipes are also needed to gain access to components in the tank (e.g., to the electrical connections of a solenoid). In many cryostats, the neck tubes also carry the weight of the tank. One of the biggest contributors to the total heat load on the helium tank comes from these neck pipes, with heat conduction in the pipe being the dominant mechanism.

Üblicherweise werden Halsrohre besonders dünnwandig ausgeführt; Wandstärken im Bereich weniger Zehntelmillimeter sind keine Seltenheit. Die Halsrohre werden typischerweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Die Wand des Halsrohres darf nicht gasdurchlässig sein, damit die Vakuumisolation des Kryostaten nicht kontaminiert und damit unbrauchbar wird. Außerdem muss das Halsrohrmaterial aus Sicht der Verbindungstechnik gut geeignet sein (Schweißbarkeit, Lötbarkeit). In vielen Fällen kommt Edelstahl zum Einsatz.Usually neck pipes are made particularly thin-walled; Wall thicknesses in the range of a few tenths of a millimeter are not uncommon. The neck pipes are typically made from a material with low thermal conductivity. The wall of the neck tube must not be gas permeable, so that the vacuum insulation of the cryostat does not become contaminated and therefore unusable. In addition, the neck tube material from the point of view of the connection technique must be well suited (weldability, solderability). In many cases, stainless steel is used.

Die eingangs zitierte US-A 5,220,800 offenbart eine gattungsgemäße Kryostatanordnung für ein NMR-Magnetsystem mit supraleitender Magnetspule. Die Kryostatanordnung weist ein doppelwandiges Halsrohr auf, durch dessen Ringspalt eine Strömung von Helium erfolgen kann (siehe etwa dortige 4).The cited above US-A 5,220,800 discloses a generic Kryostatanordnung for an NMR magnet system with superconducting magnetic coil. The Kryostatanordnung has a double-walled neck tube, through whose annular gap a flow of helium can be done (see about there 4 ).

Zum mechanischen Aufbau sowie der Befestigung von Außen- und Innenrohr macht die US-A 5,220,800 folgende Angaben:

  • „The manner in which the chambers 1 and 2, radiation shields 21 and 22, and cooling tank 23 are suspended in the cryostat 4 on suspension tubes 30 is depicted only schematically in 1. The connecting elements used are thinwalled tubes or bundles of three centering rods 26 each, a few millimeters in diameter, which have extremely low thermal conductivity and high tensile strength.“
For the mechanical structure and the attachment of outer and inner tube makes the US-A 5,220,800 the following information:
  • In the chambers 1 and 2, radiation shields 21 and 22, and cooling tank 23 are suspended in the cryostat 4 on suspension tubes 1 , The connecting elements are each a few millimeters in diameter, which have extremely low thermal conductivity and high tensile strength. "

Die mechanische Aufhängung des Halsrohres und die Bereitstellung einer strömungstechnischen Diffusionsbarriere sind hier also zwingend physisch gemeinsam, insbesondere mittels ein und desselben Materials ausgeführt. Eine getrennte Optimierung der rein mechanischen Funktion einer Aufhängung einerseits sowie der strömungstechnischen Funktion einer Diffusionsbarriere andererseits, etwa hinsichtlich der Materialauswahl nach Art und Stärke sind daher gemäß der Lehre von US-A 5,220,800 weder möglich noch angedacht.The mechanical suspension of the neck tube and the provision of a fluidic diffusion barrier are thus necessarily physically shared here, in particular by means of one and the same material. A separate optimization of the purely mechanical function of a suspension on the one hand and the fluidic function of a diffusion barrier on the other hand, such as with regard to the choice of material according to type and strength are therefore according to the teaching of US-A 5,220,800 neither possible nor planned.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt gegenüber dem oben diskutierten Stand der Technik die -im Detail betrachtet relativ anspruchsvolle und komplexe-Aufgabe zugrunde, bei einer Kryostatanordnung der eingangs beschriebenen Art mit möglichst unaufwändigen technischen Mitteln den von den Halsrohren stammenden Wärmeeintrag in den Kryogenbehälter -in der Regel einen Heliumtank- deutlich zu verringern.The present invention is over the prior art discussed above Detail considered relatively sophisticated and complex task, in a cryostat arrangement of the type described above with the least expensive technical means to reduce the originating from the neck pipes heat input into the cryogenic container -in the rule a helium tank- significantly.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind in den abhängigen Patentansprüchen genannt. Insbesondere erreicht dies die vorliegende Erfindung auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Weise dadurch, dass bei einer Kryostatanordnung der eingangs definierten Art die zu einer mechanischen Aufhängung des Kryogenbehälters am Vakuumbehälter dienenden Teile des Halsrohrs einerseits und die zur Errichtung einer Diffusionsbarriere zwischen dem Innenraum des Kryogenbehälters und dem Innenraum des Vakuumbehälters dienenden Teile des Halsrohrs andererseits räumlich voneinander getrennt angeordnet und aus jeweils unterschiedlich optimierten Materialien gefertigt sind, dass die tragende Struktur das Gewicht des Kryogenbehälters trägt und aus einem Material gefertigt ist, bei welchem für das Verhältnis σ/θ von maximal zulässiger mechanischer Spannung σ, mit σ > 100 MPa, zum Integral θ der Wärmeleitfähigkeit A über den Temperaturbereich ΔT zwischen 300 K und 4 K, mit θ < 300 W/m, gilt: σ/θ > 1/3 (MPa·m)/W, und dass das Außenrohr aus einem Material gefertigt ist, durch welches kryogenes Fluid nicht oder nur in praktisch nicht-messbarer Menge diffundieren kann, und welches mit anderen Komponenten der Kryostatanordnung fluiddicht verbunden werden kann, so dass die resultierende integrale Leckrate aus dem Kryogenbehälter in den Vakuumbehälter kleiner ist als 10-6 mbar·l/s.This object is solved by the features of patent claim 1. Advantageous embodiments thereof are mentioned in the dependent claims. In particular, this achieves the present invention in a surprisingly simple as well as effective manner in that in a cryostat arrangement of the type defined serving for a mechanical suspension of the cryogenic container on the vacuum container parts of the neck tube on the one hand and for establishing a diffusion barrier between the interior of the cryogen container and the On the other hand, portions of the neck tube serving as the inner space of the vacuum container are spatially separated from each other and made of differently optimized materials, respectively, such that the supporting structure supports the weight of the cryogen container and is made of a material having a maximum allowable mechanical stress ratio σ / θ σ, with σ> 100 MPa, to the integral θ of the thermal conductivity A over the temperature range ΔT between 300 K and 4 K, with θ <300 W / m, the following applies: σ / θ> 1/3 (MPa · m) / W, and that the outer tube made of a material igt, through which cryogenic fluid can not diffuse, or only in virtually non-measurable amount, and which can be fluid-tightly connected to other components of the Kryostatanordnung, so that the resulting integral leakage rate from the cryogenic container into the vacuum vessel is less than 10 -6 mbar · l / s.

Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, das in der Regel doppelwandig ausgeführte Halsrohr so zu gestalten, dass die Funktionen der mechanischen Befestigung des Tanks einerseits und der Herstellung der Dichtigkeit (minimale Permeation des Kryogens durch die Halsrohrwand) andererseits voneinander getrennt sind. Diese Vorgehensweise ermöglicht erst eine getrennte Optimierung.The basic idea of the present invention is to make the generally double-walled neck tube so that the functions of mechanical attachment of the tank on the one hand and the production of tightness (minimal permeation of the cryogen through the neck tube wall) on the other hand are separated. This procedure allows a separate optimization.

Die mit der vorliegenden Erfindung erzielbare Verringerung der Wärmelast hat jedoch nicht nur für supraleitende Magnetsysteme hohe Relevanz. Aus diesem Grund ist die Erfindung auch auf andere Bereiche der Kryotechnik (z.B. Speicherung von Kryogenen wie Helium oder Wasserstoff) nutzbringend anwendbar.The achievable with the present invention reduction of the heat load, however, not only for superconducting magnet systems has high relevance. For this reason, the invention is also useful in other areas of cryogenics (e.g., storage of cryogens such as helium or hydrogen).

Mit der vorliegenden Erfindung werden insbesondere folgende Vorteile erzielt:The following advantages are achieved in particular with the present invention:

Die Wärmelast auf den Kryogentank kann durch die hinsichtlich seiner thermischen Eigenschaften effizientere Gestaltung des Halsrohrs deutlich verringert werden.The heat load on the cryogenic tank can be significantly reduced by the thermal properties of its more efficient design of the neck tube.

Bei aktiv gekühlten Systemen ermöglicht dies den Einsatz eines Kühlers mit geringerer Kühlleistung, was sich zum Beispiel vorteilhaft auf den Stromverbrauch und die Systemkosten auswirkt.In actively cooled systems, this allows the use of a cooler with lower cooling capacity, which, for example, beneficial to the power consumption and system costs.

Bei badgekühlten Systemen führt dies zu einer Verringerung der Abdampfrate des kryogenen Fluids. Dies hat zum einen eine deutliche Verringerung der Betriebskosten zur Folge, auf der anderen Seite vergrößert sich auch das Zeitintervall, in dem das kryogene Fluid (typischerweise Helium) nachgefüllt werden muss, was die Störungen bei langandauernden Kernspinresonanz-Messungen reduziert und insgesamt die Verfügbarkeit des Systems für NMR-Messungen erhöht.In the case of bath-cooled systems, this leads to a reduction in the evaporation rate of the cryogenic fluid. On the one hand, this results in a significant reduction in operating costs, on the other hand, the time interval in which the cryogenic fluid (typically helium) has to be replenished increases, which reduces the disturbances associated with long-term nuclear magnetic resonance measurements and, overall, the availability of the system increased for NMR measurements.

Abdampfendes Kryogen befindet sich im thermischen Kontakt mit Teilen des Halsrohres. Dies ermöglicht es, die Enthalpie des kalten Gases zu nutzen, um Wärme, die durch Wärmeleitung im Halsrohr vom warmen zum kalten Ende fließt, „abzufangen“. Entsprechende nicht-fluiddichte Tragestrukturen befinden sich beim Stand der Technik stets im Vakuum, wodurch ihnen das Merkmal einer thermodynamisch vorteilhaften Abgaskühlung fehlt.Evaporating cryogen is in thermal contact with parts of the neck tube. This makes it possible to use the enthalpy of the cold gas to "intercept" heat flowing through heat conduction in the neck tube from the warm to the cold end. Corresponding non-fluid-tight support structures are in the prior art always in vacuum, which they lack the feature of a thermodynamically advantageous exhaust gas cooling.

Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der ErfindungPreferred embodiments and further developments of the invention

Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung, bei der die tragende Struktur in Form eines Innenrohres ausgebildet ist, und über das Innenrohr eine räumliche Verbindung des inneren Volumens des Kryogenbehälters zu einem Bereich außerhalb des Vakuumbehälters hergestellt werden kann, sodass kryogenes Fluid aus dem Kryogenbehälter in einen Bereich außerhalb des Vakuumbehälters strömen kann oder umgekehrt. Über das Innenrohr kann dann ein verhältnismäßig großer Zugang zum Kryogentank geschaffen werden, über den z.B. elektrische Verbindungen zu einer supraleitenden Magnetspule hergestellt werden können. Außerdem steht so ein großer Querschnitt zu Verfügung, um Kryogen mit hoher Flussrate aus dem Heliumtank ohne unzulässig hohen Druckanstieg aus dem Kryogentank entweichen zu lassen (z.B. im Falle eines Quenches einer supraleitenden Magnetspule oder im Falle eines Vakuumbruchs).Very particular preference is given to an embodiment of the cryostat assembly according to the invention in which the supporting structure is in the form of an inner tube, and via the inner tube a spatial connection of the inner volume of the cryogen container can be made to a region outside the vacuum vessel, so cryogenic fluid from the cryogenic container can flow into an area outside the vacuum vessel or vice versa. A relatively large access to the cryogenic tank can then be created via the inner tube, via which e.g. electrical connections can be made to a superconducting magnet coil. In addition, such a large cross-section is available to allow high-flow cryogen to escape from the helium tank without excessive pressure rise from the cryogenic tank (e.g., in the case of a quench of superconducting magnet coil or in case of vacuum breakage).

Eine besonders einfach zu realisierende Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass das Außenrohr in direktem, vorzugsweise thermisch gut leitenden, Kontakt mit dem Innenrohr steht. Die Diffusionsbarriere kann direkt am tragenden Rohr aufgebracht werden. Innen- und Außenrohr stehen deshalb in gutem thermischen Kontakt miteinander. Kryogen, das durch das Innenrohr abströmt, kühlt in erster Linie das Innenrohr, ist aber -da die Rohre in gutem thermischen Kontakt stehen- auch in der Lage, Wärme aus dem Außenrohr zu absorbieren. Die größten Vorteile dieser Ausführungsform liegen in der Einfachheit der Konstruktion und der thermodynamischen Effizienz.A particularly simple development of this embodiment provides that the outer tube is in direct, preferably thermally well-conductive, contact with the inner tube. The diffusion barrier can be directly on the supporting pipe be applied. Inner and outer tubes are therefore in good thermal contact with each other. Cryogen that flows out through the inner tube primarily cools the inner tube but, because the tubes are in good thermal contact, is also able to absorb heat from the outer tube. The greatest advantages of this embodiment are simplicity of construction and thermodynamic efficiency.

Bei einer alternativen Weiterbildung kann das Außenrohr zur tragenden Struktur beabstandet sein und zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr ein Spalt offenbleiben. Dieser Spalt kann auf vielfältige Art genutzt werden, wie in mehreren der folgenden Ansprüche beschrieben ist. So ist es zum Beispiel möglich, Kryogen durch den Spalt zwischen der tragenden Struktur und dem Außenrohr strömen zu lassen, was eine besonders effiziente Kühlung der beiden Rohrwände ermöglicht. Außerdem ist es möglich, den Spalt als Pumpleitung für den Betrieb eines Joule-Thompson-Kühlers zu verwenden.In an alternative development, the outer tube can be spaced from the supporting structure and a gap can be left between the inner tube and the outer tube. This gap can be used in a variety of ways, as described in several of the following claims. For example, it is possible to allow cryogen to flow through the gap between the supporting structure and the outer tube, which enables particularly efficient cooling of the two tube walls. In addition, it is possible to use the gap as a pumping line for the operation of a Joule-Thompson cooler.

Wird die tragende Struktur in dieser Ausführungsform als Innenrohr realisiert, das im Normalbetrieb verschlossen ist, können die bereits oben genannten Vorteile (z.B. großer Querschnitt für elektrische Verbindungen und Quenchfall/Vakuumbruch) realisiert werden, während gleichzeitig die „Abgaskühlung“ des Halsrohres durch entsprechende Wahl der Spaltgeometrie optimiert werden kann (z.B. kleine Spaltmaße für hohe Wärmeübergangskoeffizienten).If the load-bearing structure in this embodiment is realized as an inner tube which is closed during normal operation, the advantages already mentioned above (eg large cross section for electrical connections and quenching / vacuum breakage) can be realized, while at the same time the "exhaust gas cooling" of the neck tube can be selected by appropriate choice Gap geometry can be optimized (eg small gap dimensions for high heat transfer coefficients).

Besonders bevorzugt sind Varianten dieser Weiterbildung, bei denen das Außenrohr und die tragende Struktur durch mehrere axial angeordnete, radial verlaufende Wärmebrücken miteinander verbunden sind. Dadurch lässt sich auch bei einer Beabstandung der tragenden Struktur vom Außenrohr sicherstellen, dass guter thermischer Kontakt zwischen den beiden Rohren und im Innenrohr oder Spalt strömendem Fluid herrscht. Solche Wärmebrücken können zum Beispiel Kupfer-Berylliumfedern sein, die thermisch leitend an der tragenden Struktur befestigt werden. Wird die tragende Struktur dann bei der Systemmontage ins Außenrohr geschoben, drücken sich die Kupfer-Berylliumfedern an die Innenseite des Außenrohres, wodurch ein guter Wärmeübergang erzielt werden kann.Particularly preferred are variants of this development, in which the outer tube and the supporting structure are interconnected by a plurality of axially arranged, radially extending thermal bridges. As a result, even when the supporting structure is spaced from the outer tube, it is possible to ensure that there is good thermal contact between the two tubes and fluid flowing in the inner tube or gap. Such thermal bridges can be, for example, copper beryllium springs, which are thermally attached to the supporting structure. If the load-bearing structure is then pushed into the outer tube during system assembly, the copper-beryllium springs press against the inside of the outer tube, allowing good heat transfer.

Bei weiteren vorteilhaften Varianten weist der Spalt zwischen einem Innenrohr und dem Außenrohr an dem Kryogenbehälter näherliegenden Ende des Halsrohrs eine Strömungsdrossel auf. Wenn der Eingang des Spalts durch eine Drossel geschützt ist, und der raumtemperaturseitige Auslass des Spalts ausreichend groß dimensioniert ist, muss der Quench-Druck bei der Dimensionierung des äußeren Rohrs nicht berücksichtigt werden, da sich im Spalt kein hoher Druck aufbauen kann. Dies macht es möglich, das Außenrohr, das zur Herstellung ausreichender Dichtigkeit tendenziell aus einem Material mit größerer Wärmeleitfähigkeit gefertigt werden muss (z.B. Edelstahl), besonders dünnwandig auszuführen, was wiederum die axiale Wärmeleitung im Außenrohr minimiert.In further advantageous variants, the gap between an inner tube and the outer tube at the end of the neck tube closer to the cryogenic container has a flow restrictor. If the inlet of the gap is protected by a throttle, and the space temperature-side outlet of the gap is dimensioned sufficiently large, the quench pressure in the dimensioning of the outer tube must not be taken into account, since no high pressure can build up in the gap. This makes it possible to make the outer tube, which tends to be made of a material with greater thermal conductivity (for example, stainless steel), to be particularly thin in order to produce sufficient tightness, which in turn minimizes the axial heat conduction in the outer tube.

Das Innenrohr wird typischerweise eine Wandstärke zwischen 0,5 mm und 3 mm aufweisen. Um den Wärmeeintrag in den Kryogenbehälter zu minimieren, sollte die Wandstärke so dünn wie möglich sein - gerade so dünn, wie die Anforderungen an die mechanische Festigkeit zulassen. Für Magnetspulen in der Größenordnung, wie die Anmelderin sie derzeit herstellt, ergibt sich daraus für typische Halsrohrdurchmesser und die weitere unten erwähnten Materialien die oben angegebene Spanne für Wandstärken.The inner tube will typically have a wall thickness between 0.5 mm and 3 mm. To minimize the heat input into the cryogenic vessel, the wall thickness should be as thin as possible - just as thin as the mechanical strength requirements allow. For magnetic coils of the order of magnitude as the Applicant currently manufactures, this results in the range of wall thicknesses given above for typical neck tube diameters and the other materials mentioned below.

Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die tragende Struktur aus Kunststoff, vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus GFK, besonders bevorzugt aus dem Faserverbundwerkstoff G10, gefertigt. Bei GFK ist die minimal erreichbare Wandstärke durch fertigungstechnische Limitationen beschränkt. GFK kann nämlich nicht beliebig dünn gemacht werden. G10 ist ein in der Kryotechnik weit verbreiteter Werkstoff, der sich durch ein besonders niedriges Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit zu Festigkeit auszeichnet. Für Befestigungsstrukturen mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist G10 daher ideal geeignet. Außerdem ist G10 verhältnismäßig billig, und kann in eine Vielzahl von Formen gebracht werden. Metallische Anschlussstücke können durch Kleben einfach mit G10 Bauteilen verbunden werden, oder, was noch besser ist, direkt bei der Herstellung der G10 Komponente mitlaminiert werden. Beim Einsatz von Faserverbundwerkstoffen eröffnet sich die Möglichkeit, die Fasern innerhalb der Matrix so zu orientieren, dass die anisotropen Eigenschaften der Faser optimal genutzt werden, und z.B. die Zugfestigkeit eines Tragrohres in axialer Richtung maximiert wird.In further preferred embodiments of the invention, the supporting structure is made of plastic, preferably of fiber-reinforced plastic, in particular of GFRP, particularly preferably of the fiber composite material G10. In the case of GRP, the minimum achievable wall thickness is limited by manufacturing limitations. After all, fiberglass can not be made arbitrarily thin. G10 is a widely used material in cryotechnology, characterized by a particularly low ratio of thermal conductivity to strength. For mounting structures with low thermal conductivity G10 is therefore ideally suited. In addition, G10 is relatively cheap, and can be put into a variety of forms. Adhesive bonding makes it easy to connect metallic fittings to G10 components, or even better, to laminate them directly to the G10 component. The use of fiber composites opens up the possibility of orienting the fibers within the matrix to optimally utilize the anisotropic properties of the fiber, e.g. the tensile strength of a support tube in the axial direction is maximized.

Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung weist die tragende Struktur aus Kunststoff an ihren beiden Enden jeweils einen Metallfortsatz, vorzugsweise aus Edelstahl, auf. Typischerweise werden die Innenrohre mit metallischen Teilen im Kryostaten (z.B. mit dem Vakuumbehälter oder dem Kryogenbehälter) verbunden. Die Montage des Kryostaten gestaltet sich besonders einfach, wenn das Kunststoffrohr schon mit metallischen Hülsen an seinen Enden ausgestattet ist. Dann muss während der Montage des Kryostaten keine Metall-Kunststoffverbindung hergestellt werden. Dies ist vorteilhaft, da zuverlässige Metall-Kunststoffverbindungen während des Montageprozesses technologisch schwierig herzustellen sind, allerdings leicht direkt in die Herstellung der tragenden Struktur aus Kunststoff integriert werden können (z.B. durch direktes Vergießen der Metallhülse mit Kunststoff), oder ohne weiteres in einem separaten Arbeitsgang vor der Montage des Kryostaten hergestellt werden können (z.B. durch Kleben). Mit metallischen Hülsen an den Rohrenden kann einfach geschweißt werden. Schweißen ist ein Prozess, der leicht in den Montageprozess eines Kryostaten integriert werden kann. In further advantageous embodiments of the invention, the supporting structure made of plastic at its two ends in each case a metal extension, preferably made of stainless steel, on. Typically, the inner tubes are connected to metallic parts in the cryostat (eg, the vacuum container or the cryogenic container). The installation of the cryostat is particularly easy if the plastic tube is already equipped with metallic sleeves at its ends. Then, during the assembly of the cryostat no metal-plastic connection must be made. This is advantageous because reliable metal-plastic joints are technologically difficult to manufacture during the assembly process, albeit easily can be integrated directly into the production of the supporting structure made of plastic (eg by direct casting of the metal sleeve with plastic), or can be readily prepared in a separate operation before mounting the cryostat (eg by gluing). With metal sleeves at the pipe ends can be easily welded. Welding is a process that can be easily integrated into the assembly process of a cryostat.

Besonders bevorzugt sind Weiterbildungen dieser Ausführungsformen, bei denen die Metallfortsätze jeweils eine Länge zwischen 20 mm und 100 mm, vorzugsweise etwa 50 mm, und eine Spannungsquerschnittsfläche zwischen 50 mm2 und 500 mm2 aufweisen. Wie oben schon erwähnt, werden die Metallhülsen typischerweise mit anderen metallischen Teilen im Kryostaten (z.B. mit dem Vakuumbehälter oder dem Kryogenbehälter) durch Schweißen verbunden. Der beim Schweißen nötige Wärmeeintrag könnte das Kunststoffrohr beschädigen, falls kein ausreichender Abstand zwischen dem Kunststoffrohr und der Schweißnaht liegt. Mit den oben angegebenen Dimensionen ist gewährleistet, dass das Kunststoffrohr während des Einschweißens der Metallhülse nicht unzulässig erwärmt wird.Particular preference is given to developments of these embodiments, in which the metal extensions each have a length between 20 mm and 100 mm, preferably about 50 mm, and a voltage cross-sectional area between 50 mm 2 and 500 mm 2 . As mentioned above, the metal sleeves are typically connected to other metallic parts in the cryostat (eg, the vacuum vessel or the cryogen vessel) by welding. The necessary during welding heat input could damage the plastic pipe, if there is no sufficient distance between the plastic pipe and the weld. With the dimensions given above it is ensured that the plastic pipe is not heated inadmissibly during the welding of the metal sleeve.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Außenrohr aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, gefertigt ist. Metalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie als besonders effektive Diffusionsbarriere für Kryogene dienen können. Außerdem ist es sehr einfach, zuverlässige und fluiddichte Verbindungen zwischen Metallen herzustellen (z.B. durch Schweißen, Hartlöten oder Weichlöten). Edelstahl ist eines der weitverbreitetsten Materialien im Kryostatenbau. Seine niedrige Wärmeleitfähigkeit und seine gute Schweißbarkeit macht es prädestiniert für die hier beschriebene Anwendung. Außerdem sind sehr dünnwandige Edelstahlrohre mit Wandstärken von wenigen Zehntelmillimetern leicht kommerziell erhältlich, und lassen sich auch billig durch Rollen und Längsschweißen herstellen. Für Kryostaten von NMR Magnetsystemen sind außerdem die günstigen magnetischen Eigenschaften sowie die niedrige elektrische Leitfähigkeit von Vorteil. So kann die Wärmeleitung innerhalb der Diffusionsbarriere (zusätzlich zur günstigen Materialwahl) weiter verringert werden.A further advantageous embodiment of the cryostat arrangement according to the invention is characterized in that the outer tube is made of metal, preferably of stainless steel. Metals are characterized by the fact that they can serve as a particularly effective diffusion barrier for cryogens. In addition, it is very easy to make reliable and fluid-tight connections between metals (e.g., by welding, brazing or soldering). Stainless steel is one of the most widely used materials in cryostat construction. Its low thermal conductivity and good weldability makes it predestined for the application described here. In addition, very thin-walled stainless steel tubes with wall thicknesses of a few tenths of a millimeter are easily commercially available, and can be produced cheaply by rolling and longitudinal welding. For cryostats of NMR magnet systems, the favorable magnetic properties and the low electrical conductivity are also advantageous. Thus, the heat conduction within the diffusion barrier (in addition to the favorable choice of material) can be further reduced.

Bei einer bevorzugten Klasse von Ausführungsformen der Erfindung sind innerhalb des Halsrohres, insbesondere innerhalb eines Innenrohrs und/oder zwischen der tragenden Struktur und dem Außenrohr sogenannte Baffles installiert, die Wärmestrahlung abfangen und Konvektion unterbinden. Für den Betrieb des Magnetsystems ist es in mancherlei Hinsicht vorteilhaft, wenn das Innenrohr einen großen Durchmesser hat. Dies erleichtert zum Beispiel, Komponenten, wie Stromzuführungen, Signalleitungen, Ventilstangen, etc., in den Kryogen-behälter einzuführen. Mit steigendem Durchmesser des Innenrohres steigt allerdings auch die Wärmelast auf den Kryogenbehälter - zum einen durch die größere Querschnittsfläche, die für den Transport von Wärmestrahlung und für Wärmeleitung in der Gassäule zu Verfügung steht, und zum anderen durch eine günstigere Geometrie für die Ausbildung von Konvektionswirbeln und thermoakustischen Oszillationen (Takonis-Oszillationen). Werden Baffles im Halsrohr installiert, wird die Wärmestrahlung weitgehend isoliert (die Baffles agieren als gasgekühlte Strahlungsschilde), und die Ausbildung großer Konvektionswirbel und thermoakustischer Oszillationen innerhalb des Innenrohres wird unterbunden. Dabei unterbinden die Baffles den Massenfluss. Die Wärmeleitung in der Gassäule wird verringert, da an jedem Baffle Wärmeübergangswiderstände auftreten.In a preferred class of embodiments of the invention, so-called baffles are installed inside the neck tube, in particular within an inner tube and / or between the supporting structure and the outer tube, which absorb heat radiation and prevent convection. For the operation of the magnet system, it is advantageous in some respects, if the inner tube has a large diameter. This facilitates, for example, introducing components, such as power supply lines, signal lines, valve rods, etc., into the cryogenic vessel. With increasing diameter of the inner tube, however, the heat load on the cryogenic container increases - on the one hand by the larger cross-sectional area, which is available for the transport of heat radiation and heat conduction in the gas column, and on the other by a favorable geometry for the formation of convection vortices and thermoacoustic oscillations (Takonis oscillations). If baffles are installed in the neck tube, the heat radiation is largely isolated (the baffles act as gas-cooled radiation shields), and the formation of large convection vortices and thermoacoustic oscillations within the inner tube is prevented. The baffles prevent the mass flow. The heat conduction in the gas column is reduced because heat transfer resistances occur at each baffle.

Besonders bevorzugte Varianten dieser Klasse von Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, dass die Baffles klappbar ausgeführt sind. Ein nicht unerheblicher Vorteil eines großen Innenrohrdurchmessers besteht darin, dass sich im Falle einer großen Wärmelast auf das Kryogen (z.B. durch einen Bruch des Isolationsvakuums, bei einem supraleitenden Magnetsystem z.B. durch einen Quench) kein großer Druck im Kryogenbehälter aufbauen kann, da ausreichend große Abströmquerschnitte zu Verfügung stehen. Wird der freie Querschnitt des Innenrohrs jedoch mit Baffles verkleinert, fiele dieser Vorteil weg. Es ist daher besonders günstig, die Baffles klappbar auszuführen, sodass sie, sobald es im Inneren des Kryogenbehälters zu einem großen Druckanstieg und deshalb zu einem großen Massenfluss vom Kryogenbehälter in den Bereich außerhalb des Vakuumbehälters kommt, vom ausströmenden Gas nach oben weggeklappt werden, und den Querschnitt des Innenrohrs freigeben.Particularly preferred variants of this class of embodiments are characterized in that the baffles are designed to be foldable. A significant advantage of a large inner tube diameter is that in the case of a large heat load on the cryogen (eg by breaking the isolation vacuum, in a superconducting magnet system, for example by a quench) can not build up a large pressure in the cryogenic container, as sufficiently large outflow to To be available. However, if the free cross-section of the inner tube is reduced with baffles, this advantage would be eliminated. It is therefore particularly advantageous to make the baffles hinged, so that, as soon as it comes in the interior of the cryogenic container to a large pressure increase and therefore a large mass flow from the cryogenic container in the area outside the vacuum container, are folded away from the outflowing gas, and the Release the cross-section of the inner tube.

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit einer rohrförmigen tragenden Struktur, bei welchen das obere Ende des Innenrohrs im Normalbetrieb fluiddicht verschlossen ist, insbesondere durch ein Überdruckventil oder eine Berstscheibe, sodass im Normalbetrieb abströmendes Kryogen durch den Spalt zwischen Innenrohr und Außenrohr strömen muss. Kaltes Gas, das durch das Verdampfen des flüssigen Kryogens im Kryogenbehälter entsteht, kann im Temperaturbereich zwischen dem Siedepunkt des Kryogens und der Temperatur des Vakuumbehälters noch beträchtliche Kühlleistung bereitstellen. Das kalte Gas streicht beim Abströmen entlang der Rohrwände und absorbiert dabei Wärme, die durch Wärmeleitung innerhalb der Rohrwände vom Vakuumbehälter in den Kryogenbehälter fließt („Gegenstromkühlung“). Wird das kalte Gas durch den Spalt zwischen Innen- und Außenrohr geleitet, kommt es sowohl mit dem Innenrohr als auch mit dem Außenrohr in thermischen Kontakt, wodurch sich eine besonders effiziente Gegenstromkühlung einrichten lässt. Durch passende Wahl der Spaltgeometrie kann eine gute Balance zwischen einem guten Wärmeübergang des Fluids mit den Wänden des Spalts und dem Druckverlust im strömenden Fluid erreicht werden.Also advantageous embodiments of the invention Kryostatanordnung with a tubular bearing structure in which the upper end of the inner tube is normally closed fluid-tight manner, in particular by a pressure relief valve or rupture disc, so that in normal operation effluent cryogen must flow through the gap between the inner tube and outer tube. Cold gas produced by the evaporation of the liquid cryogen in the cryogen vessel can still provide significant cooling power in the temperature range between the boiling point of the cryogen and the temperature of the vacuum vessel. The cold gas sweeps as it flows along the tube walls, absorbing heat that flows through heat conduction within the tube walls from the vacuum vessel to the cryogen vessel ("countercurrent cooling"). If the cold gas is passed through the gap between the inner and outer tubes, it comes in thermal contact with both the inner tube and the outer tube, allowing for particularly efficient countercurrent cooling. By suitable choice of the gap geometry, a good balance between a good heat transfer of the fluid with the walls of the gap and the pressure loss in the flowing fluid can be achieved.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass der Kryostat einen Joule-Thompson-Kühler enthält, in dem Kryogen mittels einer außerhalb des Vakuumbehälters befindlichen Pumpe entspannt wird, und dass der Spalt zwischen der tragenden Struktur und dem Außenrohr Teil der Verbindungsleitung zwischen dem Joule-Thompson-Kühler und der Pumpe ist. Dadurch lässt sich wiederum der oben schon beschriebene Vorteil nutzen, dass das aus dem Kryostaten abströmende kalte Gas effizient für die Verringerung der Wärmelast durch Wärmleitung genutzt wird. Ein Joule-Thompson-Kühler lässt sich so besonders einfach in einen Kryostaten integrieren, da keine separate Pumpleitung vorgesehen werden muss. Absolute Dichtigkeit zwischen Pumpleitung (Ringspalt) und dem Kryogentank (bzw. dem Volumen im inneren Halsrohr) ist nicht nötig. Ein geringer Leckstrom kann akzeptiert werden, wenn er gering im Vergleich zum Strom ist, der durch den Refrigerator abgepumpt wird.Further advantageous embodiments of the invention are characterized in that the cryostat contains a Joule-Thompson cooler, is relaxed in the cryogen by means of a pump located outside of the vacuum vessel, and that the gap between the supporting structure and the outer tube part of the connecting line between the Joule Thompson cooler and the pump is. This in turn makes it possible to use the advantage already described above that the cold gas flowing out of the cryostat is used efficiently for reducing the heat load due to heat conduction. A Joule-Thompson cooler is particularly easy to integrate in a cryostat, since no separate pumping line must be provided. Absolute tightness between the pumping line (annular gap) and the cryogenic tank (or the volume in the inner neck tube) is not necessary. A low leakage current can be accepted if it is low compared to the current pumped out by the refrigerator.

Weiterhin kann bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung im Außenrohr mindestens ein Balg-Abschnitt vorhanden sein, sodass das Außenrohr keine axialen Kräfte aufnimmt. Wenn das Innen- und das Außenrohr aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden, ist es sehr wahrscheinlich, dass diese beiden Materialien über unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten verfügen. Wird der Kryostat abgekühlt, würden daher in der Halsrohranordnung große mechanische Spannungen entstehen. Diesen Spannungen kann entgegengewirkt werden, wenn im Außenrohr ein Balg installiert wird. Dieser Balg stellt sicher, dass das Rohr weitgehend spannungsfrei bleibt.Furthermore, in embodiments of the cryostat arrangement according to the invention, at least one bellows section may be present in the outer tube, so that the outer tube does not receive any axial forces. If the inner and outer tubes are made of different materials, it is very likely that these two materials have different thermal expansion coefficients. If the cryostat is cooled, therefore, large mechanical stresses would arise in the neck tube arrangement. These stresses can be counteracted if a bellows is installed in the outer tube. This bellows ensures that the tube remains largely stress-free.

Ganz besonders bevorzugt sind Varianten der Erfindung, bei welchen die Kryostatanordnung Teil einer Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere für Magnetic Resonance Imaging (=MRI) oder für Magnetresonanzspektroskopie (=NMR) ist, die vorzugsweise eine supraleitende Magnetanordnung umfasst. Supraleitende Magnete für MRI oder NMR werden üblicherweise mit flüssigem Helium gekühlt. Jedoch ist die Verfügbarkeit von Helium und dessen Preis ein wesentlicher Faktor, die He-Verluste gering zu halten.Very particular preference is given to variants of the invention in which the cryostat arrangement is part of an apparatus for nuclear magnetic resonance, in particular for Magnetic Resonance Imaging (= MRI) or for magnetic resonance spectroscopy (= NMR), which preferably comprises a superconducting magnet arrangement. Superconducting magnets for MRI or NMR are usually cooled with liquid helium. However, the availability of helium and its price is a key factor in keeping He losses low.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the description and the drawings. Likewise, according to the invention, the above-mentioned features and those which are still further developed can each be used individually for themselves or for a plurality of combinations of any kind. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.

Figurenlistelist of figures

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Vertikalschnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung;
  • 2 eine schematische Vertikalschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit Baffles im Halsrohr;
  • 3 eine schematische Vertikalschnittansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit einem Joule-Thompson-Kühler und einer Thermalbarriere im Kryogenbehälter;
  • 4 eine schematische Vertikalschnittansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit einem Balg-Abschnitt im Halsrohr;
  • 5a ein Diagramm des Wärmeleitfähigkeitsintegrals von Edelstahl über der Temperatur nach dem Stand der Technik; und
  • 5b ein Diagramm des Wärmeleitfähigkeitsintegrals von G10 über der Temperatur nach dem Stand der Technik.
The invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail with reference to embodiments. Show it:
  • 1 a schematic vertical sectional view of a first embodiment of the invention Kryostatanordnung;
  • 2 a schematic vertical sectional view of a second embodiment of the invention Kryostatanordnung with baffles in the neck tube;
  • 3 a schematic vertical sectional view of a third embodiment of the invention Kryostatanordnung with a Joule-Thompson cooler and a thermal barrier in the cryogenic container;
  • 4 a schematic vertical sectional view of a fourth embodiment of the invention Kryostatanordnung with a bellows section in the neck tube;
  • 5a a graph of the thermal conductivity integral of stainless steel over the temperature of the prior art; and
  • 5b a graph of the thermal conductivity integral of G10 over the temperature of the prior art.

Die 1 bis 4 der Zeichnung zeigen jeweils in einer schematischen Ansicht bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung zur Aufbewahrung eines fluiden Kryogens, insbesondere für die Kühlung einer supraleitenden Magnetanordnung.The 1 to 4 The drawings each show in a schematic view preferred embodiments of the cryostat arrangement according to the invention for storing a fluid cryogen, in particular for cooling a superconducting magnet arrangement.

Eine derartige Kryostatanordnung 1 weist einen Vakuumbehälter 2 und einen Kryogenbehälter 3 auf, der innerhalb des Vakuumbehälters 2 angeordnet ist, wobei der Vakuumbehälter 2 mindestens ein Halsrohr 4 mit einer tragenden Struktur 4a und ein die tragende Struktur 4a umgebendes Außenrohr 4b aufweist, wobei das Halsrohr 4 zum Kryogenbehälter 3 führt und wobei über das Halsrohr 4 eine räumliche Verbindung eines inneren Volumens des Kryogenbehälters 3 zu einem Bereich außerhalb des Vakuumbehälters 2 hergestellt werden kann, sodass kryogenes Fluid aus dem Kryogenbehälter 3 in einen Bereich außerhalb des Vakuumbehälters 2 strömen kann oder umgekehrt.Such a cryostat arrangement 1 has a vacuum tank 2 and a cryogenic container 3 on the inside of the vacuum container 2 is arranged, wherein the vacuum container 2 at least one neck tube 4 with a load-bearing structure 4a and a supporting structure 4a surrounding outer tube 4b, wherein the neck tube 4 to the cryogenic container 3 leads and being over the neck tube 4 a spatial connection of an inner volume of the cryogenic container 3 to an area outside the vacuum vessel 2 can be prepared so that cryogenic fluid from the cryogenic container 3 in an area outside the vacuum vessel 2 can flow or vice versa.

Die erfindungsgemäße Kryostatanordnung 1 zeichnet sich gegenüber bekannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik dadurch aus, dass die zu einer mechanischen Aufhängung des Kryogenbehälters 3 am Vakuumbehälter 2 dienenden Teile des Halsrohrs 4 einerseits und die zur Errichtung einer Diffusionsbarriere zwischen dem Innenraum des Kryogenbehälters 3 und dem Innenraum des Vakuumbehälters 2 dienenden Teile des Halsrohrs 4 andererseits räumlich voneinander getrennt angeordnet und aus unterschiedlich jeweils optimierten Materialien gefertigt sind, dass die tragende Struktur 4a das Gewicht des Kryogenbehälters 3 trägt und aus einem Material gefertigt ist, bei welchem für das Verhältnis σ/θ von maximal zulässiger mechanischer Spannung σ, mit σ > 100 MPa, zum Integral θ der Wärmeleitfähigkeit A über den Temperaturbereich ΔT zwischen 300 K und 4 K, mit θ < 300 W/m, gilt: σ / θ> 1/3 ( MPa m ) /W ,

Figure DE102017205279B3_0001
und dass das Außenrohr 4b aus einem Material gefertigt ist, durch welches kryogenes Fluid nicht oder nur in praktisch nicht-messbarer Menge diffundieren kann, und welches mit anderen Komponenten der Kryostatanordnung 1 fluiddicht verbunden werden kann, so dass die resultierende integrale Leckrate aus dem Kryogenbehälter 3 in den Vakuumbehälter 2 kleiner ist als 10-6 mbar·l/s. The cryostat arrangement according to the invention 1 is distinguished from known devices of the prior art in that the mechanical suspension of the cryogenic container 3 on the vacuum container 2 serving parts of the neck tube 4 on the one hand and for the establishment of a diffusion barrier between the interior of the cryogenic container 3 and the interior of the vacuum container 2 serving parts of the neck tube 4 on the other hand arranged spatially separated from each other and are made of different optimized materials that the supporting structure 4a the weight of the cryogenic container 3 and is made of a material in which for the ratio σ / θ of maximum permissible mechanical stress σ, with σ> 100 MPa, to the integral θ of the thermal conductivity A over the temperature range ΔT between 300 K and 4 K, with θ <300 W / m, the following applies: σ / θ> 3.1 ( MPa m ) / W .
Figure DE102017205279B3_0001
and that the outer tube 4b is made of a material through which cryogenic fluid can not diffuse or only in virtually non-measurable amount, and which with other components of the Kryostatanordnung 1 fluid-tight, so that the resulting integral leakage rate from the cryogenic container 3 in the vacuum tank 2 smaller than 10 -6 mbar · l / s.

Bei den in den 1 bis 4 der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen der Erfindung ist die tragende Struktur 4a in Form eines Innenrohres ausgebildet, und über das Innenrohr kann eine räumliche Verbindung des inneren Volumens des Kryogenbehälters 3 zu einem Bereich außerhalb des Vakuumbehälters 2 hergestellt werden, sodass kryogenes Fluid aus dem Kryogenbehälter 3 in einen Bereich außerhalb des Vakuumbehälters 2 strömen kann oder umgekehrt. Dabei kann das Außenrohr 4b in direktem, vorzugsweise thermisch gut leitenden, Kontakt mit dem Innenrohr stehen - was in der Zeichnung allerdings nicht dargestellt ist. Alternativ kann - wie in den 1 bis 4 gezeigt- das Außenrohr 4b zum Innenrohr beabstandet sein, und zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr 4b ein Spalt 4c offenbleiben. In diesem Fall sind das Außenrohr 4b und das Innenrohr vorzugsweise durch mehrere axial angeordnete, radial verlaufende Wärmebrücken miteinander verbunden.In the in the 1 to 4 The drawing of embodiments of the invention shown is the supporting structure 4a formed in the form of an inner tube, and via the inner tube, a spatial connection of the inner volume of the cryogenic container 3 are made to a region outside the vacuum vessel 2, so that cryogenic fluid from the cryogenic vessel 3 into an area outside the vacuum vessel 2 can flow or vice versa. In this case, the outer tube 4b in direct, preferably thermally well-conductive, contact with the inner tube - which is not shown in the drawing. Alternatively - as in the 1 to 4 shown - the outer tube 4b spaced from the inner tube, and between the inner tube and the outer tube 4b A gap 4c stay open. In this case, the outer tube 4b and the inner tube is preferably interconnected by a plurality of axially arranged, radially extending thermal bridges.

Wie in den 1, 2 und 4 zu erkennen ist, wird abströmendes Kryogen durch den Ringspalt 4c zwischen dem Innenrohr 4a und dem Außenrohr 4b hindurchgeleitet, um die Enthalpie des kalten Gases bestmöglich für das Abfangen der Wärme zu nutzen, die vom Außenbehälter (also dem Vakuumbehälter 2) entlang des Halsrohres 4 in den Kryogentank 3 fließt.As in the 1 . 2 and 4 can be seen, is flowing off cryogen through the annular gap 4c between the inner tube 4a and the outer tube 4b passed through in order to best use the enthalpy of the cold gas for the capture of the heat from the outer container (ie the vacuum container 2) along the neck tube 4 in the cryogenic tank 3 flows.

Das äußere Rohr 4b stellt die Dichtigkeit zum Isolationsvakuum her. Die Wandstärke wird so ausgelegt, dass der maximale Differenzdruck zwischen dem Ringspalt 4c und dem Isolationsvakuum aufgenommen werden kann, und dass keine nennenswerte Diffusion des Kryogens ins Isolationsvakuum stattfindet. Das Material wird so gewählt, dass eine dichte Verbindung zu anderen Teilen des Kryostaten (z.B. die Deckelplatte des Kryogentanks 3) zuverlässig und billig hergestellt werden kann. Das äußere Rohr 4b kann z.B. aus Edelstahl hergestellt werden, das über ausgezeichnete Schweißeigenschaften verfügt. Die Wandstärke dieses Rohres kann sehr dünn gewählt werden, da das Rohr nicht das gesamte Gewicht des Kryogentanks 3 (und der darin befindlichen Komponenten) aufnehmen muss.The outer tube 4b establishes the tightness for isolation vacuum. The wall thickness is designed so that the maximum differential pressure between the annular gap 4c and the isolation vacuum, and that no appreciable diffusion of the cryogen into the isolation vacuum occurs. The material is chosen so that a tight connection to other parts of the cryostat (eg the cover plate of the cryogenic tank 3 ) can be produced reliably and cheaply. The outer tube 4b can be made of stainless steel, for example, which has excellent welding properties. The wall thickness of this tube can be made very thin because the tube does not cover the entire weight of the cryogenic tank 3 (and the components contained therein) must record.

Das innere Rohr 4a trägt das Gewicht des Kryogentanks 3. Es muss allerdings nicht hermetisch dicht sein, weshalb ein Material gewählt werden kann, das sich primär durch das hohe Verhältnis von mechanischer Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Hier kommen z.B. faserverstärkte Kunststoffe in Frage. So kann etwa die tragende Struktur 4a insbesondere aus GFK, besonders bevorzugt aus dem Faserverbundwerkstoff G10, gefertigt sein.The inner tube 4a carries the weight of the cryogenic tank 3 , However, it does not have to be hermetically sealed, which is why a material can be chosen that is characterized primarily by the high ratio of mechanical strength and thermal conductivity. Here, for example, fiber-reinforced plastics come into question. For example, the load-bearing structure 4a in particular made of fiberglass, particularly preferably made of the fiber composite material G10.

Das GFK-Rohr wird an beiden Enden mit einer Edelstahlhülse verbunden. Verbindungsmöglichkeiten zwischen GFK und Edelstahlhülse sind dem Fachmann bekannt. Die Edelstahlhülse muss eine gewisse Mindestlänge aufweisen (typischerweise 50 mm).The GRP pipe is connected at both ends with a stainless steel sleeve. Connections between GRP and stainless steel sleeve are known in the art. The stainless steel sleeve must have a certain minimum length (typically 50 mm).

Die Abbildungen der 5a und 5b zeigen die Wärmeleitfähigkeitsintegrale für Edelstahl (5a) und für den Faserverbundwerkstoff G10 (5b; Quelle: jeweils J.W. Kooi, Caltech). Wie man sieht, ist das Wärmeleitfähigkeitsintegral von Edelstahl etwa 30-mal größer als das von G10. Allerdings ist Edelstahl auch erheblich fester als G10, weshalb als Kennzahl das Verhältnis aus Festigkeit zu Wärmeleitfähigkeit herangezogen werden muss. Die 0.2 % Streckgrenze von Edelstahl, die zur Auslegung herangezogen würde, beträgt typischerweise 360 MPa (für 1.4301); die Zugfestigkeit von G10 liegt bei etwa 270 MPa.The pictures of the 5a and 5b show the thermal conductivity integrals for stainless steel ( 5a ) and for the fiber composite G10 ( 5b ; Source: in each case JW Kooi, Caltech). As you can see, the thermal conductivity integral of stainless steel is about 30 times greater than that of G10. However, stainless steel is also considerably stronger than G10, which is why the ratio of strength to thermal conductivity has to be used as a key figure. The 0.2% yield strength of stainless steel that would be used for design is typically 360 MPa (for 1.4301); the tensile strength of G10 is about 270 MPa.

Selbst unter der konservativen Annahme, dass bei G10 ein Sicherheitsfaktor von 3 gegenüber der Zugfestigkeit angewandt wird und dass Edelstahl bis an die Streckgrenze belastet werden kann, ist die Wärmeleitung über ein Edelstahlrohr [(270/3 MPa)/(1 W/cm)]/ [(360 MPa)/(30 W/cm)]= 7,5 mal so groß wie über ein GFK Rohr mit der gleichen Tragfähigkeit.Even under the conservative assumption that G10 has a safety factor of 3 with respect to tensile strength and that stainless steel can be loaded down to its yield point, heat conduction through a stainless steel pipe is [(270/3 MPa) / (1 W / cm)]. / [(360 MPa) / (30 W / cm)] = 7.5 times larger than a GRP pipe with the same load capacity.

Bevorzugt wird die tragende Struktur 4a aus Kunststoff an ihren beiden Enden jeweils einen Metallfortsatz 5a‘, 5a“, vorzugsweise aus Edelstahl, tragen. Die Metallfortsätze 5a‘, 5a“ weisen jeweils eine Länge zwischen 20 mm und 100 mm, vorzugsweise etwa 50 mm, und eine Spannungsquerschnittsfläche zwischen 50 mm2 und 500 mm2 auf.The supporting structure is preferred 4a made of plastic at its two ends in each case a metal extension 5a ' . 5a " , preferably made of stainless steel. The metal processes 5a ' . 5a " each have a length between 20 mm and 100 mm, preferably about 50 mm, and a voltage cross-sectional area between 50 mm 2 and 500 mm 2 .

Wie in 1 gezeigt, kann bei einfachen Ausführungsformen der Erfindung das obere Ende des Innenrohrs 4a im Normalbetrieb fluiddicht verschlossen sein, insbesondere durch ein Überdruckventil oder eine Berstscheibe 9, sodass im Normalbetrieb abströmendes kryogenes Fluid durch den Spalt 4c zwischen Innenrohr 4a und Außenrohr 4b strömen muss. Der Spalt 4c zwischen dem Innenrohr 4a und dem Außenrohr 4b weist an dem Kryogenbehälter 3 näherliegenden Ende des Halsrohrs 4 eine Strömungsdrossel 7 auf.As in 1 shown, in simple embodiments of the invention, the upper end of the inner tube 4a be closed fluid-tight in normal operation, in particular by a pressure relief valve or rupture disc 9 , so that in normal operation effluent cryogenic fluid through the gap 4c between inner tube 4a and outer tube 4b has to flow. The gap 4c between the inner tube 4a and the outer tube 4b indicates the cryogenic container 3 closer end of the neck tube 4 a flow restrictor 7 on.

In 2 ist eine dazu alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher innerhalb des Halsrohres 4, insbesondere innerhalb des Innenrohrs und/oder zwischen der tragenden Struktur 4a und dem Außenrohr 4b sogenannte Baffles 6 installiert sind, die Wärmestrahlung abfangen und Konvektion unterbinden. Die Baffles 6 sind vorzugsweise klappbar ausgeführt, damit sie im Falle eines schnellen Abströmens des Kryogens (z.B. im Quenchfall) den Querschnitt des inneren Rohres 4a freigeben, und auf diese Weise den Druckanstieg im Kryogentank 3 begrenzen.In 2 an alternative embodiment of the invention is shown in which, within the neck tube 4 , in particular within the inner tube and / or between the supporting structure 4a and the outer tube 4b so-called Baffles 6 are installed, the heat radiation intercept and prevent convection. The baffles 6 are preferably designed to be foldable, so that in the case of a rapid outflow of the cryogen (eg in case of quenching) the cross section of the inner tube 4a release, and thus the pressure rise in the cryogenic tank 3 limit.

Der Ringspalt 4c kann bei anderen Ausführungsformen der Erfindung auch als Pumpleitung für unterkühlte Systeme dienen. Wenn der Eingang der Pumpleitung durch eine Drossel geschützt ist, muss der Quenchdruck bei der Dimensionierung des äußeren Rohr 4b nicht berücksichtigt werden. Absolute Dichtigkeit zwischen Pumpleitung (Ringspalt 4c) und dem Kryogentank 3 (bzw. dem Volumen im inneren Rohr 4a) ist nicht nötig. Ein geringer Leckstrom kann akzeptiert werden, wenn er klein im Vergleich zum Strom ist, der durch den Refrigerator abgepumpt wird.The annular gap 4c may also serve as a pumping line for supercooled systems in other embodiments of the invention. If the inlet of the pumping line is protected by a restrictor, the quench pressure must be taken into account when dimensioning the outer tube 4b not considered. Absolute tightness between pumping line (annular gap 4c ) and the cryogenic tank 3 (or the volume in the inner tube 4a ) is not necessary. A small leakage current can be accepted if it is small compared to the current pumped out by the refrigerator.

3 illustriert eine derartig ausgestaltete Ausführungsform, bei welcher der Kryostat einen Joule-Thompson-Kühler JT enthält, in dem kryogenes Fluid mittels einer außerhalb des Vakuumbehälters 2 befindlichen -in der Zeichnung nicht dargestellten- Pumpe entspannt wird, wobei der Spalt 4c zwischen der tragenden Struktur 4a und dem Außenrohr 4b Teil der Verbindungsleitung zwischen dem Joule-Thompson-Kühler JT und der Pumpe ist. In 3 ist ein Kryogentank gezeigt, der mittels einer Thermalbarriere 20 in zwei Bereiche unterteilt wird. Die Thermalbarriere 20 ist thermisch isolierend, ermöglich aber den Druckausgleich zwischen den beiden Bereichen (z.B. eine flexible Membran aus thermisch isolierendem Material). Oberhalb der thermischen Barriere befindet sich beispielsweise Kryogen bei Atmosphärendruck im Sättigungszustand. Unterhalb der Barriere ist das Kryogen im unterkühlten Zustand (d.h. Atmosphärendruck, aber eine Temperatur, die unterhalb der Gleichgewichtstemperatur liegt). Dafür muss vom Joule-Thompson-Kühler JT Wärme abgeführt werden. Eine solche Anordnung eignet sich ideal zum Betrieb von supraleitenden Magnetspulen bei Temperaturen unterhalb von 4.2 K. 3 illustrates such an embodiment in which the cryostat contains a Joule-Thompson cooler JT in the cryogenic fluid by means of an outside of the vacuum container 2 befindlichem -in the drawing, not shown- pump is relaxed, the gap 4c between the supporting structure 4a and the outer tube 4b Part of the connecting line between the Joule-Thompson cooler JT and the pump is. In 3 a cryogenic tank is shown by means of a thermal barrier 20 is divided into two areas. The thermal barrier 20 is thermally insulating, but allows the pressure equalization between the two areas (eg a flexible membrane of thermally insulating material). Above the thermal barrier, for example, cryogen is at saturation at atmospheric pressure. Below the barrier, the cryogen is in the supercooled state (ie, atmospheric pressure but at a temperature below equilibrium temperature). For this, heat must be removed from the Joule-Thompson cooler JT. Such an arrangement is ideally suited for the operation of superconducting magnet coils at temperatures below 4.2 K.

Um eine mechanische Überbestimmung des Systems zu vermeiden, kann im äußeren Rohr 4b ein Balg-Abschnitt 8 vorgesehen sein. Damit kann das äußere Rohr 4b keine axialen Kräfte aufnehmen, und kann durch axiale Kräfte deshalb auch nicht über die Maßen strapaziert werden. Eine derartig modifizierte Ausführungsform der Erfindung ist in 4 dargestellt.In order to avoid a mechanical overdetermination of the system, can in the outer tube 4b a bellows section 8th be provided. This can be the outer tube 4b take no axial forces, and can therefore not be excessively strained by axial forces. Such a modified embodiment of the invention is in 4 shown.

Denkbar sind auch Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen unter Verzicht auf die Abgaskühlung im Ringspalt 4c oder der Verfügbarkeit als Pumpleitung eine Variante ohne Ringspalt umgesetzt ist, oder bei denen das die tragende Struktur -anders als in den Abbildungen gezeigt- nicht als Rohr, sondern als einzelner Stab oder mehrere Stäbe ausgeführt wird.Also conceivable are embodiments of the invention in which waiving the exhaust gas cooling in the annular gap 4c or the availability as a pumping line a variant is implemented without an annular gap, or in which the supporting structure - other than shown in the figures - not as a tube, but as a single rod or more rods is performed.

Die Merkmale aller oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können -größtenteils- auch miteinander kombiniert werden.The features of all embodiments of the invention described above can be largely combined with each other.

Claims (15)

Kryostatanordnung (1) mit einem Vakuumbehälter (2) und einem Kryogenbehälter (3), der innerhalb des Vakuumbehälters (2) angeordnet ist, wobei der Vakuumbehälter (2) mindestens ein Halsrohr (4) aufweist, wobei das Halsrohr (4) zum Kryogenbehälter (3) führt, und wobei über das Halsrohr (4) eine räumliche Verbindung eines inneren Volumens des Kryogenbehälters (3) zu einem Bereich außerhalb des Vakuumbehälters (2) herstellbar ist, sodass kryogenes Fluid aus dem Kryogenbehälter (3) in einen Bereich außerhalb des Vakuumbehälters (2) strömen kann oder umgekehrt, wobei die zu einer mechanischen Aufhängung des Kryogenbehälters (3) am Vakuumbehälter (2) beitragenden Teile des Halsrohrs (4) einerseits und die zur Errichtung einer Diffusionsbarriere zwischen dem Innenraum des Kryogenbehälters (3) und dem Innenraum des Vakuumbehälters (2) dienenden Teile des Halsrohrs (4) andererseits räumlich voneinander getrennt angeordnet und aus jeweils unterschiedlich optimierten Materialien gefertigt sind, wobei die Funktionen der mechanischen Befestigung des Tanks einerseits und der Herstellung der Dichtigkeit, also einer minimalen Permeation des kryogenes Fluids durch die Halsrohrwand andererseits voneinander getrennt sind, wobei das Halsrohr (4) eine tragende Struktur (4a) aufweist, wobei die tragende Struktur (4a) an ihren beiden Enden jeweils einen Metallfortsatz (5a', 5a") aufweist, wobei die tragende Struktur (4a) das Gewicht des Kryogenbehälters (3) trägt und aus einem Material gefertigt ist, bei welchem für das Verhältnis σ/θ von maximal zulässiger mechanischer Spannung σ, mit σ > 100 MPa, zum Integral θ der Wärmeleitfähigkeit über den Temperaturbereich ΔT zwischen 300 K und 4 K, mit θ < 300 W/m, gilt: σ / θ> 1/3 ( MPa m ) /W ,
Figure DE102017205279B3_0002
wobei die tragende Struktur (4a) ein umgebendes Außenrohr (4b) aufweist, wobei das Außenrohr (4b) aus einem Material gefertigt ist, durch welches kryogenes Fluid nicht oder nur in praktisch nicht-messbarer Menge diffundiert, und welches mit anderen Komponenten der Kryostatanordnung (1) fluiddicht verbunden ist.
Cryostat arrangement (1) with a vacuum container (2) and a cryogenic container (3), which is arranged inside the vacuum container (2), wherein the vacuum container (2) has at least one neck tube (4), wherein the neck tube (4) to the cryogenic container ( 3), and wherein via the neck tube (4) a spatial connection of an inner volume of the cryogenic container (3) to a region outside the vacuum container (2) can be produced so that cryogenic fluid from the cryogenic container (3) in a region outside the vacuum container (2) can flow or vice versa, wherein the mechanical suspension of the cryogenic container (3) on the vacuum container (2) contributing parts of the neck tube (4) on the one hand and for establishing a diffusion barrier between the interior of the cryogen container (3) and the interior of the Vacuum container (2) serving parts of the neck tube (4) on the other hand arranged spatially separated from each other and each differently optimized materiali The functions of the mechanical fastening of the tank on the one hand and the production of the tightness, ie a minimum permeation of the cryogenic On the other hand, the neck tube (4) has a supporting structure (4a), the supporting structure (4a) having at each of its ends a metal extension (5a ', 5a "), the supporting structure (4a) bears the weight of the cryogenic container (3) and is made of a material for which the ratio σ / θ of maximum permissible mechanical stress σ, σ> 100 MPa, to the integral θ of the thermal conductivity over the temperature range ΔT is between 300 K and 4 K, with θ <300 W / m, applies: σ / θ> 3.1 ( MPa m ) / W .
Figure DE102017205279B3_0002
wherein the supporting structure (4a) comprises a surrounding outer tube (4b), wherein the outer tube (4b) is made of a material through which cryogenic fluid does not diffuse or diffuses only in substantially non-measurable quantity, and which is combined with other components of the cryostat arrangement (4b). 1) is connected fluid-tight.
Kryostatanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tragende Struktur (4a) in Form eines Innenrohres ausgebildet ist, und über das Innenrohr eine räumliche Verbindung des inneren Volumens des Kryogenbehälters (3) zu einem Bereich außerhalb des Vakuumbehälters (2) hergestellt werden kann, sodass kryogenes Fluid aus dem Kryogenbehälter (3) in einen Bereich außerhalb des Vakuumbehälters (2) strömen kann oder umgekehrt.Cryostat arrangement after Claim 1 , characterized in that the supporting structure (4a) is in the form of an inner tube, and via the inner tube, a spatial connection of the inner volume of the cryogen container (3) to a region outside the vacuum container (2) can be made, so cryogenic fluid from the cryogenic container (3) in a region outside the vacuum container (2) can flow or vice versa. Kryostatanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (4b) in direktem, vorzugsweise thermisch gut leitenden, Kontakt mit dem Innenrohr steht.Cryostat arrangement after Claim 2 , characterized in that the outer tube (4b) is in direct, preferably thermally well-conductive, contact with the inner tube. Kryostatanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (4b) zum Innenrohr beabstandet ist, und zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr (4b) ein Spalt (4c) offenbleibt.Cryostat arrangement after Claim 2 , characterized in that the outer tube (4b) is spaced from the inner tube, and between the inner tube and the outer tube (4b), a gap (4c) remains open. Kryostatanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (4b) und das Innenrohr durch mehrere axial angeordnete, radial verlaufende Wärmebrücken miteinander verbunden sind.Cryostat arrangement after Claim 4 , characterized in that the outer tube (4b) and the inner tube are interconnected by a plurality of axially arranged, radially extending thermal bridges. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tragende Struktur (4a) aus Kunststoff, vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus GFK, besonders bevorzugt aus dem Faserverbundwerkstoff G10, gefertigt ist.Cryostat arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the supporting structure (4a) is made of plastic, preferably of fiber-reinforced plastic, in particular of fiberglass, more preferably of the fiber composite material G10. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tragende Struktur (4a) aus Kunststoff gefertigt ist und an ihren beiden Enden jeweils einen Metallfortsatz (5a', 5a") aus Edelstahl aufweist.Cryostat arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the supporting structure (4a) is made of plastic and has at its two ends in each case a metal extension (5a ', 5a ") made of stainless steel. Kryostatanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfortsätze (5a', 5a") jeweils eine Länge zwischen 20 mm und 100 mm, vorzugsweise etwa 50 mm, und eine Spannungsquerschnittsfläche zwischen 50 mm2 und 500 mm2 aufweisen.Cryostat arrangement after Claim 7 , characterized in that the metal extensions (5a ', 5a ") each have a length between 20 mm and 100 mm, preferably about 50 mm, and a voltage cross-sectional area between 50 mm 2 and 500 mm 2 . Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (4b) aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, gefertigt ist.Cryostat arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the outer tube (4b) is made of metal, preferably of stainless steel. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Halsrohres (4), insbesondere innerhalb eines Innenrohrs (4a) und/oder zwischen der tragenden Struktur (4a) und dem Außenrohr (4b) Baffles (6) installiert sind, die Wärmestrahlung abfangen und Konvektion unterbinden.Cryostat arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that within the neck tube (4), in particular within an inner tube (4a) and / or between the supporting structure (4a) and the outer tube (4b) Baffles (6) are installed, the heat radiation intercept and prevent convection. Kryostatanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Baffles (6) klappbar ausgeführt sind.Cryostat arrangement after Claim 10 , characterized in that the baffles (6) are designed to be foldable. Kryostatanordnung nach Anspruch 2 und gegebenenfalls einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Ende des Innenrohrs (4a) im Normalbetrieb fluiddicht verschlossen ist, insbesondere durch ein Überdruckventil oder eine Berstscheibe (9), sodass im Normalbetrieb abströmendes kryogenes Fluid durch den Spalt zwischen Innenrohr (4a) und Außenrohr (4b) strömen muss.Cryostat arrangement after Claim 2 and optionally one of Claims 3 to 11 , characterized in that the upper end of the inner tube (4a) is closed fluid-tight in normal operation, in particular by a pressure relief valve or rupture disc (9), so flow in normal operation effluent cryogenic fluid through the gap between the inner tube (4a) and outer tube (4b) got to. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat einen Joule-Thompson-Kühler (JT) enthält, in dem kryogenes Fluid mittels einer außerhalb des Vakuumbehälters (2) befindlichen Pumpe entspannt wird, und dass der Spalt (4c) zwischen der tragenden Struktur (4a) und dem Außenrohr (4b) Teil der Verbindungsleitung zwischen dem Joule-Thompson-Kühler (JT) und der Pumpe ist.Cryostat arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the cryostat contains a Joule-Thompson cooler (JT), in which cryogenic fluid is expanded by means of a pump located outside the vacuum container (2), and in that the gap (4c) between the supporting structure (4a) and the outer tube (4b) is part of the connecting line between the Joule-Thompson cooler (JT) and the pump. Kryostatanordnung nach Anspruch 4 sowie gegebenenfalls einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (4c) zwischen dem Innenrohr (4a) und dem Außenrohr (4b) an dem dem Kryogenbehälter (3) näherliegenden Ende des Halsrohrs (4) eine Strömungsdrossel (7) aufweist.Cryostat arrangement after Claim 4 and optionally one of Claims 5 to 13 , characterized in that the gap (4c) between the inner tube (4a) and the outer tube (4b) at the cryogen container (3) closer to the end of the neck tube (4) has a flow restrictor (7). Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Außenrohr (4b) mindestens ein Balg-Abschnitt (8) vorhanden ist, sodass das Außenrohr (4b) keine axialen Kräfte aufnimmt.Cryostat arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the outer tube (4b) at least one bellows section (8) is present, so that the outer tube (4b) receives no axial forces.
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